CN107848635B - 具有组合加强片/热管的卫星辐射器面板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于卫星的无源热系统，所述无源热系统包括固体辐射器面板，所述固体辐射器面板具有附接至其表面的多个热管。除了其热传输能力之外，所述热管增强其所联接的所述辐射器面板。在一些实施例中，所述热管进行结构上修改以增加其面积惯性矩。

Description

具有组合加强片/热管的卫星辐射器面板

技术领域

本发明涉及环绕地球通信卫星。

背景技术

通信卫星从地球的表面接收无线电信号并将无线电信号传送至地球的表面。尽管环绕地球通信卫星已使用多年，但是向此类卫星机载的热敏感电子部件提供足够冷却和热分布仍然是个问题。

存在卫星的热系统必须应对的两种主要热源。一种热源为太阳能辐射。太阳能辐射可由热绝缘屏蔽罩吸收或通过向卫星提供合适反射性外部表面可易于反射远离卫星。第二热源为卫星机载的电子器件。电子器件生成热量的移除更麻烦，因为此类热量必须从卫星内的各个位置进行收集，传输至其可从卫星排斥的位点，并且然后辐射至空间中。

无源热面板可用于从卫星消散热量。在一种配置中，无源热面板包括蜂窝芯部，该蜂窝芯部具有嵌入其中的热管。热管为闭合腔室，通常为管的形式，该闭合腔室具有填充有工作流体的内部毛细结构。卫星的操作温度范围设定了工作流体的选择；氨气、乙烷和丙烯为典型选择。热输入(即，从热生成电子器件的热输入)致使工作流体蒸发。蒸发流体将热量承载向较冷热输出部段，其中热量随着流体冷凝而被排斥。排斥热量由热输出部段的冷却器表面吸收，并且然后辐射至空间中。冷凝物通过毛细作用力返回至热输入部段(热生成部件附近)以完成循环。

蜂窝芯部通常为低强度轻质材料。对于该原因等任何其它原因，薄硬面板或“表皮(skin)”设置于蜂窝芯部的两个主表面上。芯部因此“夹持(sandwiched)”于壳体之间。该复合物的强度很大程度上取决于：(1)外部壳体和(2)粘结蜂窝芯部和壳体的粘合剂层。面板制造为极其昂贵的且劳动量大，但几乎存在平面外载荷或模态关注问题的各处均需要面板。

无源热面板的第二配置简单地为固体金属壳体。然而，此类壳体结构上低效用于卫星，因为壳体的弯曲刚度与其厚度的立方成比例。除非添加昂贵且笨重加强片以增加弯曲刚度，但是此类固体壳体可仅用于短跨距上或仅与安装至其的极小质量块(即，结构)一起使用。

因此，仍存在对用于卫星的无源热面板的改善需求。

发明内容

本发明通过将热管联接至固体金属辐射器的表面提供了一种改善的无源热系统。除了提供其正常热功能之外，热管用作结构肋部以增强面板。

对于无源热系统的该方法利用热管的横截面和面积惯性矩来最大化结构效果。与现有技术相对比，其中热管嵌入蜂窝芯部使得它们事实上对面板无结构支撑。由于以根据本教导的热管加强固体金属辐射器面板，辐射器面板相比于其它情况可为较薄的，这相当于重量节省和成本节省。

在一些实施例中，热管进行结构上修改以增加其刚度和其所附接的面板的刚度。在一些实施例中，修改增加了热管的平面外高度。更具体地，此类修改大体上沿着正交于辐射器面板的平面的轴线增加“面积惰性矩”的分量，所修改热管附接至该辐射器面板。

结构修改对于热管的热传递能力通常具有小影响(如果有的话)。当然，不同于地面应用，其中翅片(通常10个或更多个)用于对流冷却，在真空空间中，此类翅片将仅辐射，从而提供远远较少的潜力用于冷却。

此类修改热管将通常具有单个构件(例如，翅片等)，该单个构件延伸自其主体(即，热管的含镗孔部分)。在一些实施例中，所修改热管具有延伸自其的两个构件。具有三个或更多个翅片的结构优点将是最小的，但是这将会造成重量损失。

附图说明

图1示出了根据本教导的卫星。

图2示出了图1的卫星的一些部分的分解图。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的与图1和2的卫星结合使用的无源热系统的第一实施例。

图4示出了根据本发明的示例性实施例的与图1和2的卫星结合使用的无源热系统的第二实施例。

图5示出了根据本发明的示例性实施例的与图1和2的卫星结合使用的无源热系统的第三实施例。

图6示出了根据本发明的示例性实施例的与图1和2的卫星结合使用的无源热系统的第四实施例。

图7示出了根据本发明的示例性实施例的与图1和2的卫星结合使用的无源热系统的第五实施例。

图8示出了根据本发明的示例性实施例的与图1和2的卫星结合使用的无源热系统的第六实施例。

图9A至图9C示出了梁和其作为所施加力的位置的函数的抗偏转能力。

具体实施方式

本发明的实施例可用于所有类型的卫星(例如，LEO、GEO等)。在处理瞬间无源热系统的细节之前，描述了一种该系统可用于其中的卫星。

卫星。图1示出了根据本教导的卫星100。图2示出了卫星100的一些突出特征的“爆炸”图。现在参考图1和图2两者，卫星100包括如所示布置的统一有效载荷模块102、推进模块114、有效载荷天线模块122、总线部件模块132和太阳能阵列系统140。应注意，图1和图2中的卫星100的定向在意义上为“倒置的”，在使用中，图中面“向上”的天线124将“向下”面向地球。

统一有效载荷模块102包括面板104、106和108。在一些实施例中，面板利用各种连接器等以已知方式接合在一起。支架109向连接面板提供结构加强件。

面板104、106和108用作用于从卫星102辐射热量的辐射器等任何其它功能。在一些实施例中，面板包括适配部分以有利于热移除。在一些实施例中，面板包括多种材料，诸如由面材夹持的芯部。适用于面板的材料包括通常用于航空工业的那些。例如，在一些实施例中，芯部包括轻质铝蜂窝结构并且面材包括6061-T6铝，两者通常以环氧膜粘合剂粘结在一起。

推进模块114设置于面板112上，面板112在一些实施例中以类似于面板104、106和108的方式来构造(例如，铝蜂窝芯部和铝面材等)。图1中遮蔽的面板112邻接统一有效载荷模块102的面板104和106。

推进模块114包括燃料箱116和推进控制系统118。推进控制系统利用一个或多个阀(未示出)控制推进气体通过推进喷嘴(未示出)的释放，该推进喷嘴设置于面板114的向外面向表面上。推进控制系统适当地仪表化(即，软件和硬件)成响应于地基命令或从控制处理器机载生成的命令。

有效载荷天线模块122包括多个天线124。在示例性实施例中，十六个天线124以4×4阵列布置。在一些其它实施例中，天线124可以不同布置来编排和/或可使用不同数量的天线。天线124由支撑幅材120支撑。在一些实施例中，支撑幅材为包括碳纤维的弯曲面板，该弯曲面板具有合适数量的开口(即，该示例性实施例中十六个)以用于接纳和支撑天线124。

在一些实施例中，天线124以Ku带进行传送，该Ku带为电磁光谱的12至18GHz部分。在示例性实施例中，天线124配置为指数喇叭(horn)，该指数喇叭通常用于通信卫星。本领域众所周知的是，喇叭天线从波导传送无线电波(或将无线电波收集至波导中)，该波导通常实施为短矩形或圆柱形金属管，该金属管在一端闭合并且在另一端展开成开端喇叭(示例性实施例中的锥形)。每个天线124的波导部分在图1中被遮蔽。每个天线124的闭合端部联接至放大器(图1和图2中未示出；它们位于面板104或108的内部表面上)。

总线部件模块132设置于面板130上，面板130附接至统一有效载荷模块102的底部(根据图1和2的透视图)。面板130可以类似于面板104、106和108的方式来构造(例如，铝蜂窝芯部和铝面材等)。在一些实施例中，面板130不包括用于热移除的任何具体适配部分。

模块132包括主太阳能阵列电机134、四个反作用轮136和主控制处理器164。反作用轮允许卫星100经由角动量守恒在空间中旋转而无需使用推进剂。每个反作用轮136(包括离心质量块(未示出))由相关联驱动电机(和控制电子器件)138驱动。如本领域的技术人员将理解，仅需要三个反作用轮136来在x、y和z方向上旋转卫星100。第四反作用轮用作备品。为此，此类反作用轮通常用于卫星中。

主控制处理器164处理从地面所接收的命令并且自主地执行卫星100的许多功能，包括但不限于姿态指向控制、推进控制和电力系统控制。

太阳能阵列系统140包括太阳能面板142A和142B和相应y形条148A和148B。每个太阳能面板包括多个太阳能电池(未示出；它们设置于太阳能面板142A和142B的遮蔽侧上)，该多个太阳能电池以已知方式将阳光转换成电能。太阳能面板的每一者包括电机144和无源旋转轴承146；y形条的一者在电机144和轴承146处附接至每个太阳能面板。电机144允许太阳能面板的每一者至少部分地绕着轴线A-A旋转。这有利于太阳能面板142A从其平行于和相对于面板104的收起位置进行部署和太阳能面板142B从其平行于和相对于面板106的收起位置进行部署。电机144还用于经由前述绕着轴线A-A的旋转适当地斜置面板142A和142B以用于最佳日晒。

每个y形条148A和148B的构件150延伸通过相应面板104和106中的开口152。在统一有效载荷模块102内，构件150连接至先前结合总线部件模块132所述的主太阳能阵列电机134。主太阳能阵列电机能够使每个构件150至少部分地绕着其轴线旋转，如图所示。这是为了斜置太阳能面板142A和142B以用于最佳日晒。在一些实施例中，构件150可彼此独立地旋转；在一些其它实施例中，构件150一起旋转。锁定和释放构件154用于将太阳能面板142A联接和释放至侧面板104，和将太阳能面板142B联接和释放至侧面板106。锁定和释放构件联接至侧面板104和106中的开口156。

卫星100还包括面板126，面板126配合统一有效载荷102的“下”(根据图1和图2的透视图)面板108。在一些实施例中，面板108为航空级材料(例如，6061-T6铝等)的片材。蓄电池模块128设置于面板126的向内面向表面上。蓄电池模块向卫星100机载的各种能量消耗件供应电力。蓄电池模块128由电能再充电，该电能经由太阳能面板142A和142B生成；面板和模块128为此电联接(太阳能面板142A/B和蓄电池模块128之间的电路经在图1和图2中未示出)。

卫星100还包括全向天线158以用于遥测和地基命令和控制。

两个“网关”天线160设置于面板108上。网关天线将用户数据发送至地球上的网关站点并且接收用户数据。网关站点与互联网通信。天线160通过可移动安装件162联接至面板108，可移动安装件162允许天线沿着两个轴线移动以用于以地基天线的最佳定位。天线160通常传送并接收Ka带，该Ka带覆盖26.6至40GHz范围内的频率。

设置于面板106的向内面向表面上的转换器模块110在Ka无线电频率和Ku无线电频率之间转换。例如，转换器模块110将网关天线160的Ka带上行链路信号经由天线124转换成Ku带下行链路信号。转换器模块110还在相反方向上转换，即Ku至Ka。

在卫星100的操作中，关于数据请求的数据流如下：

·(获得数据)：在网关站点从互联网获得所请求数据；

·(上行链路)：数据信号经由大型地基天线传送(Ka带)至卫星的网关天线160；

·(有效载荷)：数据信号放大、路由至转换器模块110以用于转换成下行链路(Ku)带，并且然后再次放大；

·有效载荷信号路由至有效载荷天线124；

·(下行链路)：天线124将放大频率转换信号传送至用户的终端。当用户传送(而非请求)数据时，诸如电子邮件，信号沿循相同路径但在相反方向上。

无源热系统。图3示出了无源热系统300，无源热系统300包括固体辐射器面板(诸如面板104、106、108或112)和一个或多个热管370。

热管经由例如环氧膜粘合剂或本领域的技术人员已知的其它合适粘结材料附接至面板。另选地，热管370可结合热垫圈材料经由标准紧固件栓接至面板，该热垫圈材料压缩于热管370和面板之间。

固体辐射器面板通常由金属(诸如铝)形成。在示例性实施例中，无源热系统300包括三个热管370。热管包括本体374和凸缘376。本体374包括镗孔372。镗孔延伸本体374的全长并且包含热管流体。热管通常由铝形成。

热管370为常规热管。在本文中，“常规热管”定义为在本公开和附属权利要求中用作热管，该热管在本体374(而非凸缘376)外部不具有结构特征或其它布置，热管通过该其它布置附接至表面或帽盖，该帽盖覆盖热管的端部。

在薄壁结构(诸如卫星100)的设计中的两个重要考虑事项为压曲稳定性和壁(在本文中，辐射器面板)的面板刚度/振动频率。

辐射器面板可经受正常压缩和剪切载荷。在某些条件下，这些载荷可致使面板压曲。标准固体辐射器面板的压曲载荷取决于其厚度；特别地，板(对于给定材料)越厚，临界压曲载荷越高。

根据本发明，热管370在固体辐射器面板上的存在提供了第二变量，该第二变量影响压曲载荷。随着将更多热管添加至辐射器面板，热管之间的间距s减小。对于无源热系统300，固体辐射器面板的无支撑宽度(即，相邻热管370之间的中心至中心间距s)推导出压曲模式和相关联本征值。因此，添加热管370将对固体辐射器面板提供额外压曲阻力。此外，增加凸缘376的宽度w将提供一些额外压曲阻力并且增加临界压曲载荷。尽管在示例性实施例中示出了三个热管，但是可使用更多或更少热管，只要适合辐射器面板的尺寸和厚度以及预期载荷。

在卫星100的辐射器面板所经历的力和偏转的情况下，其为面板刚度，相比于压曲阻力，该面板刚度将为控制设计因素。继续参考图3，设想无源热系统300的趋势为沿着轴线弯曲，该轴线垂直于热管370(但与之共面)。热管越硬，无源热系统300所表现的弯曲阻力越大。

根据本教导的一些实施例，无源热系统包括热管，热管包括物理适配部分以用于通过未修改热管(诸如热管370)将热管和组合热管/辐射器面板的刚度增加超出提供给此类面板的任何益处。

热管和因此无源热系统300的刚度可通过使热管高于平面外来增加。该原理经由图9A至图9C示出。

图9A示出了梁990的透视图。该梁具有指示尺寸，其中尺寸“b”为六倍的尺寸“a”，即，b＝6a。图9B示出了梁990，梁990定向成使得其支撑于主表面992B的中点。在该定向上，梁990的“高度”为“a”。图9C示出了梁990，梁990定向成使得其支撑于边缘992B的中点。在该定向上，梁990的“高度”为“h”或6a。

如果将力施加至表面992A(如图9B所示)，那么梁990将以相比于其中将相同量的力施加至表面994A(如图9C所示)更容易的所示方式弯曲。根据这些附图应当理解，由于如所示限定的高度和如所示施加的力，增加梁的高度极大地增加其在指示方向上的弯曲刚度。

以增加其刚度而无关于涉及热管的任何热考虑事项的明确意图修改的热管在本公开和附属权利要求书中称为“结构热管”。“结构热管”定义为在本公开和附属权利要求书中用作热管，该热管进行结构上修改以沿着正交于辐射器面板的平面的轴线显著地增加“面积惯性矩”的分量。在本文中，“显著地增加”意指增加50％或更多。关于本发明的实施例，沿着正交于辐射器面板的平面的轴线增加“面积惯性矩”的分量意指增加热管的高度，其中“高度”相对于辐射器面板来引用，结构热管联接至该辐射器面板。

本发明的实施例不考虑使用其尺寸大于计算热载荷所需热管的热管。换句话讲，本发明的实施例不设想且明确地排除将超尺寸(基于热需求)热管用作用于增加前述面积惯性矩的方式。这样将增加太大质量。

相反，根据本教导，沿着正交于辐射器面板热管的平面的轴线的面积惯性矩经由结构修改而增加，该结构修改通常不影响热管的载热能力(例如，镗孔直径不增加，无导致热管流体的量的增加的结构更改，等等)，或将对热管的热传递能力最好具有最小影响。在本文中，“最小影响”意指“小于5％”。

图4至图8经由端部视图示出了无源热系统，该无源热系统包括结构热管(即，结构上修改以增加其刚度和所附接辐射器的刚度的热管)，应当理解，图4至图8所示的结构延伸至“页面中”。换句话讲，如果这些图经由如同图3的透视图呈现，那么将看到结构热管纵向地延伸，如同图3所示的常规热管。

图4示出了无源热系统400，无源热系统400包括固体辐射器面板(诸如面板104、106、108和112)和结构热管470。每个结构热管470包括平直竖直翅片480，平直竖直翅片480延伸远离固体辐射器面板并且从邻近结构热管470的主体374的顶部478的位置延伸。如本文所用，短语“结构热管的本体的顶部”意指热管的一部分上的位置，该部分包括距辐射器面板最远的镗孔372。因此，例如，如果图4倒置使得热管470“向下”面向，那么“结构热管的本体的顶部”为如图4中的热管470上的相同位置。

此类翅片不存在于常规热管上。竖直翅片增加了热管470相对于未修改热管370的平面外高度。平面外高度的增加增大了热管470和热管/面板组件(即，无源热系统400)的“面积惯性矩”。面积惯性矩的增加等同于刚度的增加。

在图4所示的实施例中，翅片480正交于辐射器面板，在一些其它实施例中，翅片480不正交于辐射器面板。后者情况可例如以其中正交定向翅片存在非充分间隙的情形来决定。

在另一些实施例中，根据本教导的无源热系统具有两个平直竖直翅片(各自如同翅片480)，这两个平直竖直翅片延伸远离固体辐射器面板并且从邻近结构热管470的本体374的顶部478的位置延伸。在优选实施例中，两个翅片均正交于辐射器面板。然而，如果空间或其它约束条件以其它方式决定，那么翅片可定向成非正交于辐射器面板。

图5示出了无源热系统500，无源热系统500包括固体辐射器面板(诸如面板104、106、108和112)和结构热管570。每个结构热管570包括L形翅片580。L形翅片增加了热管570相对于未修改热管370的平面外高度，如先前所述及，该平面外高度增加了热管570和热管/面板组件(即，无源热系统500)的面积惯性矩。L形翅片相比于翅片(其为平直的并具有相同质量的量和相同翅片厚度)需要较小平面外间隙。L形翅片还向热管570提供更大横向稳定性，这在一些实施例中可为必需的。

图6示出了无源热系统600，无源热系统600包括固体辐射器面板(诸如面板104、106、108和112)和结构热管670。每个结构热管670包括双翅片680。双翅片增加了热管670相对于未修改热管370的平面外高度，并且因此，增加了热管670和热管/面板组件(即，无源热系统600)的面积惯性矩。如同L形翅片580，双翅片680还改善结构热管670的横向稳定性，但由于缺乏L形翅片的对称性通常优选的是L形翅片580。

图7示出了无源热系统700，无源热系统700包括固体辐射器面板(诸如面板104、106、108和112)和结构热管770。每个结构热管770包括水平板780，从而提供典型“I形梁”配置。尽管结构热管770不具有例如结构热管470的平面外高度，但是I形梁配置相对于具有相同尺寸的常规热管改善了刚度。

图8示出了无源热系统800，无源热系统800包括固体辐射器面板(诸如面板104、106、108和112)和结构热管870。每个结构热管870包括竖直翅片880和水平板882，从而提供“高”I形梁配置。结构热管870的额外平面外高度使得其相比于结构热管770较硬，并且当然，相比于未修改热管370较硬。

在结构热管470、570、670、770和870中，热管的主体进行结构上修改。在一些其它实施例中，不同于更改热管的主体，高度增加特征联接至该主体，诸如以适当紧固件或粘合剂。

在示例性实施例中，热管370和结构热管470至870示为平直的，并且布置成在辐射器面板的表面上彼此平行。在一些其它实施例中，根据本教导的热管370和结构热管为：

(i)非平直的(它们为弯曲的，等等)；或

(ii)平直的，但在辐射器面板的表面上非彼此平行；或

(iii)非平直的，并且在辐射器的表面上非彼此平行。

鉴于本公开并且在不偏离本教导的情况下，本领域的技术人员将能够设计并实施具有增加刚度的结构热管和并入其的无源热系统的额外配置。

应当理解，本公开描述了少数实施例，并且本发明的许多变型可由本领域的技术人员在阅读本公开之后易于想出，并且本发明的范围由下述权利要求书确定。

Claims (15)

1.一种卫星，所述卫星具有用于将热量辐射至外部环境的多个固体辐射器面板，所述热量由所述卫星中所包括的电子器件生成，其中所述卫星包括无源热系统，并且其中所述无源热系统包括：

所述固体辐射器面板中的至少一者；和

多个结构热管，所述多个结构热管设置于所述至少一个辐射器面板上并在其上呈纵向延伸，

其中，所述多个结构热管中的至少一个具有主体，所述主体的底部固定到所述至少一个辐射器面板，并且所述主体的顶部远离所述辐射器面板延伸，和

其中，所述多个结构热管中的至少一个具有至少一个翅片，所述翅片从邻近所述结构热管的主体的顶部的位置延伸远离所述辐射器面板，

由此，所述至少一个翅片沿正交于所述至少一个辐射器面板的平面的轴线增加面积惯性矩的分量。

2.一种包括无源热系统的设备，其中所述无源热系统适于在卫星上使用并且包括：

固体辐射器面板；和

至少一个结构热管，所述至少一个结构热管设置于所述固体辐射器面板的表面上并在其上呈纵向延伸，所述至少一个结构热管具有主体，所述主体的底部固定到所述固体辐射器面板，并且所述主体的顶部远离所述固体辐射器面板延伸，

其中，所述至少一个结构热管具有至少一个翅片，所述至少一个翅片从邻近所述结构热管的主体的顶部的位置延伸远离所述固体辐射器面板。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述至少一个翅片包括两个平直翅片，所述平直翅片延伸远离所述固体辐射器面板并且从邻近所述结构热管的所述主体的所述顶部的位置延伸。

4.根据权利要求2所述的设备，其中所述至少一个翅片包括一个平直翅片，所述平直翅片延伸远离所述固体辐射器面板并且从邻近所述结构热管的所述主体的所述顶部的位置延伸。

5.根据权利要求3所述的设备，其中所述两个平直翅片共同地形成V形形状。

6.根据权利要求2所述的设备，其中所述至少一个翅片包括L形形状构件，所述L形形状构件具有第一部分，所述第一部分延伸远离所述固体辐射器面板并且从邻近所述结构热管的所述主体的所述顶部的位置延伸。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述L形形状构件的所述第一部分相对于所述固体辐射器面板正交地定向。

8.根据权利要求6所述的设备，其中所述L形形状构件的第二部分相对于所述固体辐射器面板平行地定向。

9.根据权利要求2所述的设备，其中所述至少一个翅片包括T形形状构件，所述T形形状构件具有第一部分，所述第一部分延伸远离所述固体辐射器面板并且从邻近所述结构热管的所述主体的所述顶部的位置延伸。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述T形形状构件的所述第一部分相对于所述固体辐射器面板正交地定向。

11.根据权利要求9所述的设备，其中所述T形形状构件的第二部分相对于所述固体辐射器面板平行地定向。

12.根据权利要求2所述的设备，其中存在设置于所述辐射器面板的所述表面上的至少两个结构热管，其中所述至少两个结构热管相对于彼此不平行。

13.根据权利要求2所述的设备，其中所述至少一个结构热管为非平直的。

14.一种包括多个固体辐射器面板的卫星，其中所述辐射器面板中的至少一者配置为无源热系统，其中一个或多个结构热管设置于所述固体辐射器面板的表面上并在其上呈纵向延伸，以及

其中，所述一个或多个结构热管中的至少一个具有主体，所述主体的底部固定到所述至少一个辐射器面板，并且所述主体的顶部远离所述至少一个辐射器面板延伸，和

其中，所述一个或多个结构热管中的至少一个具有至少一个翅片，所述翅片从邻近所述结构热管的主体的顶部的位置延伸远离所述辐射器面板，

由此，沿正交于所述至少一个辐射器面板的平面的轴线增加面积惯性矩的分量。

15.根据权利要求14所述的卫星，其中所述辐射器面板中的至少两者配置为无源热系统，其中一个或多个结构热管设置于所述至少两个辐射器面板的每一者上。

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